Nuclear Spin-Hyperpolarization of Biomolecular Probes by Photoexcited Triplets toward the Creation of Highly Sensitive MRI Technology

光励起三重項電子スピンの偏極状態を用いた動的核偏極法(triplet-DNP)は、高温かつ低磁場で核スピンを偏極することができ、穏和な条件でNMRやMRIの感度を向上できる。特に、生体内代謝の中心に位置するピルビン酸はその代謝経路が様々な疾患と関連しており、triplet-DNPによってピルビン酸の13C核スピンを偏極し、高感度な13CMRIを観測することができれば、様々な医療機関で迅速な診断を行うことができると期待されている。しかし、従来の偏極源分子はペンタセンに限られており、triplet-DNPによって偏極できるマトリックスはペンタセンを分散可能な疎水性の芳香族分子に限られていた。そのため、ペンタセンは親水性のピルビン酸とは相溶性が低く、triplet-DNPによるピルビン酸の13C核スピンの高偏極化は困難であった。本年度は、親水性ペンタセン誘導体NaPDBAとシクロデキストリンとの超分子相互作用によって、ピルビン酸Naを含有する水/グリセロール混合溶液(DNP juice)にNaPDBAを分散し、ピルビン酸Naの13C核を高偏極化させることに成功した。NaPDBAは高極性なピルビン酸Naを含むDNP juice中で凝集したが、シクロデキストリンと錯体を組むことで分散性が向上し、ピルビン酸Naを高濃度に含むDNP juice中であっても光励起三重項電子スピンの偏極が確認された。最後に、100 Kの温度下、triplet-DNPによってNaPDBAが生成する三重項電子スピンの偏極をDNP juiceガラス中の水分子の1H核スピンへ移行し、1H核スピンの偏極状態をピルビン酸Naの13C核へ移行した。ピルビン酸Naの13C核スピンの偏極は熱平衡状態と比較して増感した13CNMRスペクトルによって確認された。

光励起三重項電子スピンの偏極状態を用いた動的核偏極法(triplet-DNP)は、高温かつ低磁場で核スピンを偏極することができ、穏和な条件でNMRやMRIの感度を向上できる。特に、生体内代謝の中心に位置するピルビン酸はその代謝経路が様々な疾患と関連しており、triplet-DNPによってピルビン酸の13C核スピンを偏極し、高感度な13CMRIを観測することができれば、様々な医療機関で迅速な診断を行うことができると期待されている。しかし、従来の偏極源分子はペンタセンに限られており、triplet-DNPによって偏極できるマトリックスはペンタセンを分散可能な疎水性の芳香族分子に限られていた。そのため、ペンタセンは親水性のピルビン酸とは相溶性が低く、triplet-DNPによるピルビン酸の13C核スピンの高偏極化は困難であった。本年度は、親水性ペンタセン誘導体NaPDBAとシクロデキストリンとの超分子相互作用によって、ピルビン酸Naを含有する水/グリセロール混合溶液(DNP juice)にNaPDBAを分散し、ピルビン酸Naの13C核を高偏極化させることに成功した。NaPDBAは高極性なピルビン酸Naを含むDNP juice中で凝集したが、シクロデキストリンと錯体を組むことで分散性が向上し、ピルビン酸Naを高濃度に含むDNP juice中であっても光励起三重項電子スピンの偏極が確認された。最後に、100 Kの温度下、triplet-DNPによってNaPDBAが生成する三重項電子スピンの偏極をDNP juiceガラス中の水分子の1H核スピンへ移行し、1H核スピンの偏極状態をピルビン酸Naの13C核へ移行した。ピルビン酸Naの13C核スピンの偏極は熱平衡状態と比較して増感した13CNMRスペクトルによって確認された。